PEM型制氢 | 东丽高性能膜助力氢能和脱碳

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摘  要：为了实现氢能社会，日本企业不断进行技术研发。实现脱碳已离不开日本的材料技术，德国西门子能源公司选择与日本东丽公司展开合作。两家公司的合作将对制氢产生什么影响？本文将对此进行解说。

关键字：高性能膜、PEM型制氢、水电解、绿氢、碳氢类电解质膜、高分子分离膜、创新型CO₂分离膜、脱碳

日本的材料技术对于脱碳化至关重要

半导体等日本曾经很强的领域如今面临激烈的挑战，但“材料”领域依旧领先。

事实上，材料领域对于目前脱碳十分重要。例如，在人工光合作用中，催化剂和膜等材料十分重要，日本的材料技术在这方面表现出了很高的技术水平。因此可以说，如果没有这些材料技术，脱碳就无法加速。

在脱碳方面，脱碳巨头正在世界舞台上进行技术开发竞争，并表示日本公司的材料对于制氢必不可少，因此提出了合作——9月6日东丽宣布与旗下拥有世界性可再生能源企业的西门子能源展开合作。

那么，此次两家公司的合作会对制氢和脱碳带来什么样的影响呢？下面将通过以下三个论点进行解说。

1. 作为本次合作对象的PEM型制氢是什么？材料为什么很重要？

2. 此次使用的东丽碳氢类电解质膜是什么？

3. 东丽所拥有的对脱碳不可或缺的先进技术是什么？

西门子能源为何与东丽合作？

此次与东丽合作的是总部设在德国的西门子能源公司。

西门子本身是一家从事信息通信、交通、防卫、生产设备、家电产品等领域的制造以及系统解决方案业务的全球性公司，西门子能源脱胎于其能源部门。

西门子能源旗下有一家名为西门子GAMESA的公司，在脱碳时代和风力发电全球扩张的时代，西门子GAMESA是继丹麦维斯塔斯风力技术集团之后的全球第二大风力发电机制造商。

具备这些特点的西门子能源也参与了日本重点关注的氢能领域。

此次，西门子能源与东丽以利用创新PEM型水电解创造绿色制氢技术从而为实现碳中和社会作出贡献为口号，签订了关于“建立战略合作伙伴关系”的基本协议书。世界脱碳巨头将与日本东丽联手在氢能领域进行研发。

本次合作并不是要夺取日本市场，而是要一同在世界市场竞争。也就是说，将凭借东丽的材料在世界范围内一决胜负。

根据报道，两家公司将利用各自的氢和燃料电池相关技术及业务以及全球网络，为全球各个国家和地区的客户提供最优解决方案，以占领预计未来将大幅扩张的全球市场，并将共同推动扩大可再生能源绿氢的引入和战略性全球业务的发展。

现在，绿氢逐渐被世界所关注。如之前所言，脱碳之后的下一步是氢能，但是西门子能源希望从现在开始建立体制，以扩大其市场份额，然而缺乏作为制造核心的技术，因而选中了日本东丽公司。

根据报道，西门子能源和东丽将利用可再生能源产生的电力，通过电解水生产绿氢，获得的绿氢不仅用于大规模发电等电力应用，还将用于热能、交通燃料以及工业应用领域以推进脱碳。

东丽和西门子能源立即参与了NEDO于8月通过的绿色创新基金项目——“利用可再生能源电力的水电解制氢项目”。该项目将共同推进日本最大级别10MW级PEM型大型水电解装置的技术开发、建设和实证。

该项目此次采用的氢气装置为PEM型。下面将解说什么是PEM型制氢以及为什么材料很重要。

PEM型制氢是什么？

该项目中将使用可再生能源制造零碳绿氢。

一般的制造方法是向水里通电，电解后分离成氢和氧的水电解，其有三种方法。

来源：氢·燃料电池战略协议会，零碳氢工作小组“零碳氢工作小组报告书”

第一种是将导电性钾离子等溶解在水中的碱性水电解法。

与碱性水相接触有阳极和阴极，电流在其间流动，此时碱性水分解生成氧气和氢气，这是传统方法。

而上图中最右边的被称为高温水蒸气电解。通过电解水蒸气的形式，与电解水相比制氢效率更高。目前，这种高温水蒸气电解被认为适合与核能发电的废热配套，不过仍处于研发阶段。

与此相对，此次采用的是上图正中的PEM方式。PEM是Polymer Electrolyte Membrane的缩写，即固体高分子电解质膜。在PEM方式中，氧化反应首先发生在阳极，产生质子(H⁺)；当质子通过PEM移动到阴极时发生还原反应从而变成氢气。

PEM方式的2个特点

PEM方式的特点是，与碱性水电解相比，设备的占地面积小，而且制造的氢纯度极高，不需要提纯。即便如此，这种更为先进的制氢方法才刚刚开始得到应用。究竟是碱性水电解好还是PEM方式好，目前还没有定论。在此情况下，旭化成正在研究碱性水电解。

PEM方式如上所述，质子通过膜后经过还原反应生成氢。也就是说，这个膜非常重要。说到膜便不得不提材料领域，这是日本企业的强项。

迄今为止，该电解质膜一直使用氟系离子交换膜等，但近年来出现电解效率更高的碳氢类膜。

此次该项目中所使用的便是东丽公司的碳氢类膜——“将通过独家开发的低透过性膜实现高效制氢”。下面将对东丽碳氢类电解质膜进行介绍。

碳氢类电解质膜是什么？

东丽的碳氢类电解质膜始于脱碳之前，于2006年就被开发出来并投入实际使用。

据报道，“2006年11月3日，东丽充分利用其纳米级分子结构控制技术，成功开发出适用于以氢为燃料的燃料电池汽车等的碳氢类电解质膜。”

此时，传统使用的氟系电解质膜存在成本高、环境污染重、化学耐久性不足等课题，因此东丽公司开始开发碳氢类膜。

关于碳氢类膜的开发，直到2017年才有部分网络媒体报道称，山梨大学在NEDO的支持下，成功开发出高性能的燃料电池用非氟类电解质膜，而距离此时东丽的开发已超过10年。

然而，从开发到投产需要很长时间。东丽的资料记载如下。

来源：东丽

据报道，碳氢类电解质膜于2019年开始生产。此次实证中使用了这种于2019年开始生产的膜，但距离2006年开始开发已经过去了10多年。

对于该膜的性能，东丽公司并未进行大肆宣扬，尽管如此，还是在日本电力中央研究所2021年4月的总结报告中找到相关记述：

“在PEMWE的材料方面，东丽株式会社成功开发出低成本且环保的碳氢类电解质膜，使用该膜的水电解表现出世界最高水平的性能。”

世界最高水平。西门子能源的合作或许正因如此。

在该项目中，东丽的世界最高水平“碳氢类电解质膜”将供应给西门子能源。两家公司将共同推进西门子能源PEM型大型水电解堆栈·装置“Elyzer”的安装、实证和商业化，同时也将探讨扩大在绿氢利用领域的合作。

此外，东丽的材料技术不限于制氢。最后将介绍一下东丽在脱碳方面的其他先进技术。

对于脱碳不可或缺的东丽先进技术是什么？

氢气是一种气体。不仅在制氢方面，东丽在提取氢气的膜方面也有相当建树。

这就是氢选择性高渗透高分子分离膜。

东丽致力于反渗透膜开发长达半个世纪，利用进一步发展在此期间积累的精密界面聚合技术，成功制造出能够从混合气体中选择性提取氢气且具有高渗透性的世界最高水平的高分子分离膜。

分离膜结构如下图所示，使用由聚酰胺制成的膜，这也是关键之一。由聚酰胺构成氢选择性高渗透分离的功能层，实现了氢的高选择性和渗透性。

来源：东丽

不止东丽，其他公司也有研究甚至推出过钯膜、沸石、碳膜以及高分子聚酰亚胺膜产品，但聚酰胺膜比其中的任何一种都便宜。

也就是说，不仅是世界最高水平，而且价格便宜。

此外，通过使用高耐热高分子材料×精密相分离，设计了耐热耐压多孔支撑膜。实际上，增加氢气的渗透性和选择性会降低耐热性和耐压性，两者兼具也是课题之一。东丽通过将耐热耐压膜与聚酰胺层复合，成功创造出兼具耐热性、耐压性和氢高选择分离性的新型分离膜。

凭借该膜，无论是高温还是高压，都能以世界最高水平从含氢混合气体中提取氢气。

氢气如此，那么是否也可以分离CO₂呢？

CO₂分离对于脱碳十分重要，因此，东丽也在开发创新型CO₂分离膜。

来源：东丽

由于兼具CO₂分离性能和高耐久性，并且具有柔韧性和极薄特性，因此可以像普通纤维一样连续生产，并且可以高密度填充，从而实现模块小型化。

该膜刚刚开发成功，尚未在社会实用，但可以说，如果没有东丽的膜，则实现脱碳时代将困难重重。

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翻译：李释云

审校：李   涵

贾陆叶

统稿：李淑珊

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